[論文レビュー] Dark charge vs electric charge

Duong Van Loi, Cao H. Nam+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 51被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、電気的電荷とダーク電荷を統一する新しい $SU(3)_C\otimes SU(2)_L\otimes U(1)_Y\otimes U(1)_N$ 角運動量対称性を提案する。ここでダーク電荷は弱アイソスピンと非自明に関連している。モデルは新たなダイナミクスによってニュートリノ質量とダークマターを自然に生成し、$U(1)_Y$ と $U(1)_N$ のゲージボソン間の運動エネルギー混合を考慮した上で、フェルミオン、スカラー、ゲージ系の対角化を経て、コライダーの信号とダークマターの観測量を分析する。

ABSTRACT

We reconsider the question of electric charge quantization, which leads to the existence of a dark charge nontrivially unified with weak isospin in a novel gauge symmetry, $SU(3)_C\otimes SU(2)_L\otimes U(1)_Y\otimes U(1)_N$, where $Y$ and $N$ determine the electric and dark charges, respectively. The new model provides neutrino masses and dark matter appropriately, a direct consequence of the dark dynamics. We diagonalize the fermion, scalar, and gauge sectors as well as obtain relevant interactions, taking into account the kinetic mixing of $U(1)_{Y,N}$ gauge bosons. The new physics signals at colliders are examined. The dark matter observables are discussed.

研究の動機と目的

• 電気的電荷の量子化という根本的問題に、新たなダーク電荷を含むゲージ対称性を導入することで対処すること。
• 標準模型の拡張として、$U(1)_N$ ゲージ群を用いたダーク電荷と弱アイソスピンの非自明な統一を実現すること。
• 新たなダークダイナミクスの直接的結果として、ニュートリノ質量と安定したダークマター候補を生成すること。
• コライダー信号およびダークマター観測量を含む、モデルの物性論的解析を行うこと。
• $U(1)_Y$ と $U(1)_N$ ゲージボソン間の運動エネルギー混合を考慮したフェルミオン、スカラー、ゲージ系の対角化を行うこと。

提案手法

• 電磁荷とダーク電荷の生成子としての $Y$ および $N$ を含む、新しいゲージ群 $SU(3)_C\otimes SU(2)_L\otimes U(1)_Y\otimes U(1)_N$ を仮定する。
• フェルミオン、スカラー、ゲージ系を含むラグランジアンを構築し、異常キャンセリングと適切な量子数を保証する。
• $U(1)_Y$ と $U(1)_N$ の運動エネルギー混合項を質量固有状態に回転することで、ゲージ系を対角化する。
• 混合角と $U(1)_Y$ および $U(1)_N$ ゲージボソンの質量固有状態を計算し、物理的結合定数を特定する。
• 新しいゲージボソンとフェルミオン、スカラーの相互作用を導出し、ダークマター結合を含む。
• 得られたコライダー信号およびダークマター物性論を分析し、宇宙論的密度と直接検出制約を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新たなダーク電荷を含む統一ゲージ対称性から、どのように電気的電荷の量子化を導出できるか？
• RQ2 標準模型の $U(1)_N$ 拡張において、ダーク電荷と弱アイソスピンの非自明な統一にはどのような意味があるか？
• RQ3 新しいゲージボソンとその運動エネルギー混合は、コライダー物性論にどのように影響するか？
• RQ4 このモデルは、ニュートリノ質量と安定したダークマター候補を自然に生成できるか？
• RQ5 ダークマター直接検出および宇宙論的観測における、新しい物理の観測的シグネチャーは何か？

主な発見

• モデルは $U(1)_Y\otimes U(1)_N$ ゲージ対称性により電気的電荷の量子化を実現し、ダーク電荷が弱アイソスピンと非自明に統一されている。
• ニュートリノ質量は見せかけのスイッチ機構を必要とせず、新たなダイナミクスから自然に生じる。
• $U(1)_N$ ゲージ群に関連する $Z_2$ 対称性によりダークマターが安定化され、弱く相互作用する大質量粒子（WIMP）が得られる。
• $U(1)_Y$ と $U(1)_N$ ゲージボソン間の運動エネルギー混合により、コライダーで観測可能なシグネチャーが生じ、無色ヒッグス崩壊やモノジェットシグネチャーを含む。
• ダークマターの残存密度が観測と整合する限り、ダークマター質量と結合定数が特定の範囲内にある場合に予測される。
• スカラー系には、標準模型ヒッグスと混合する新しいヒッグスに類似た状態が含まれており、ヒッグスの結合定数と崩壊分岐比に影響を与える。